從引力波的發(fā)現(xiàn)看大科學(xué)裝置的作用

谷昭逸 李 俠

一、大科學(xué)時(shí)代與大科學(xué)裝置的興起

“大科學(xué)”（Big Science、Mega Science、Large Science）的概念是由美國(guó)科學(xué)學(xué)家普賴斯于1962年率先提出的，在他著名的《小科學(xué)、大科學(xué)》的演講中，他認(rèn)為世界自二戰(zhàn)時(shí)期起已經(jīng)進(jìn)入了大科學(xué)時(shí)代。在小科學(xué)時(shí)代，科學(xué)家或工程師能憑借個(gè)人的財(cái)力和興趣投入有限的資源從事科技創(chuàng)新工作，科研活動(dòng)整體呈現(xiàn)一種分散、個(gè)體或小集體的形式特點(diǎn)。與之相對(duì)的大科學(xué)的具體特點(diǎn)為研究目標(biāo)宏大、多學(xué)科交叉、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、投資強(qiáng)度大、科研成果重大、大量人才聚集等。大科學(xué)裝置是典型的大科學(xué)時(shí)代科技發(fā)展的產(chǎn)物。

大科學(xué)裝置隸屬于重大科技基礎(chǔ)設(shè)施一類，但何謂“大科學(xué)裝置”尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，目前學(xué)界通常將“大科學(xué)裝置”定義為：需要通過(guò)較大規(guī)模的投入和工程建設(shè)來(lái)完成，建成后可以通過(guò)長(zhǎng)期的穩(wěn)定運(yùn)行來(lái)持續(xù)地為科學(xué)技術(shù)活動(dòng)、科學(xué)技術(shù)前沿突破提供巨大幫助的大型設(shè)施。在大科學(xué)的時(shí)代背景下，從事前沿科學(xué)領(lǐng)域研究的門(mén)檻越來(lái)越高，其中的一個(gè)主要障礙就是離不開(kāi)大科學(xué)裝置的協(xié)助。

天文學(xué)是一門(mén)將觀測(cè)與理論緊密結(jié)合的學(xué)科，隨著人類可觀測(cè)到的宇宙范圍不斷擴(kuò)大，科學(xué)家們對(duì)于天文觀測(cè)儀器的精度和準(zhǔn)度也提出了更高的要求。相較于早期基礎(chǔ)的折射望遠(yuǎn)鏡和反射望遠(yuǎn)鏡，如今的現(xiàn)代大天文望遠(yuǎn)鏡通常都具備大鏡面、拼接鏡、主動(dòng)光學(xué)等特點(diǎn)。除了地面上的大型望遠(yuǎn)鏡之外，天文大科學(xué)裝置還包括觀測(cè)衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡等游弋在宇宙中的觀測(cè)儀器。天文大科學(xué)裝置的使用不僅能產(chǎn)生天文學(xué)領(lǐng)域的巨大突破，還能帶動(dòng)相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

二、天文大科學(xué)裝置的涌現(xiàn)與引力波的發(fā)現(xiàn)

基于科學(xué)史的梳理可以發(fā)現(xiàn)，引力波自1916年提出直至2015年得到證實(shí)，對(duì)它的研究不間斷地持續(xù)了一個(gè)世紀(jì)，算得上是物理學(xué)史中跨度較久、延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的一個(gè)代表性問(wèn)題。

引力波概念最早由物理學(xué)家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（Albert Einstein）在1916年發(fā)表的廣義相對(duì)論中提出。愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)引力波是物質(zhì)和能量的劇烈運(yùn)動(dòng)和變化所產(chǎn)生的一種物質(zhì)波。

引力波概念一經(jīng)提出便引起整個(gè)科學(xué)界的轟動(dòng)，各國(guó)科學(xué)家立刻投身于證實(shí)引力波存在的工作中。由于引力波的探測(cè)屬于物理學(xué)與天文學(xué)交叉的領(lǐng)域，對(duì)其性質(zhì)的揭示有助于人類對(duì)宇宙性質(zhì)的理解，引力波很快成了國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。在攻克這個(gè)難題的道路上，很多科學(xué)家做出了偉大的工作，其中標(biāo)志性的工作有如下兩項(xiàng)，1993年和2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也正是授予了推動(dòng)引力波研究的五位科學(xué)家。

美國(guó)物理學(xué)家拉塞爾·赫爾斯（Russell A·Hulse，1950——）和另一位美國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·泰勒（Joseph H·Taylor，1941——）因發(fā)現(xiàn)脈沖雙星PSR1913+16，并通過(guò)計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)得出引力波存在的間接證據(jù)，憑借該項(xiàng)成果獲得1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

赫爾斯和泰勒利用位于美屬波多黎各島山谷中的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)脈沖雙星PSR1913+16進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)脈沖雙星的軌道周期在不斷減小，并意識(shí)到這兩顆星在越來(lái)越緊縮的軌道上越來(lái)越快地互相繞著旋轉(zhuǎn)。雖然這種變化是非常小的，僅為軌道周期每年大約減1秒的百萬(wàn)分之七十五，普通儀器很難觀測(cè)到，但阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡因?yàn)楣δ軓?qiáng)大便足以觀測(cè)出該結(jié)果。這種微小的變化可以用愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論理論很好地解釋，有力證明了脈沖雙星正在以引力波的形式不斷發(fā)射能量。于是該觀測(cè)結(jié)果和結(jié)論成為證明引力波真實(shí)存在的一個(gè)強(qiáng)有力的間接證據(jù)。

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡建成于1963年，建成時(shí)直徑為305米，后擴(kuò)建升級(jí)為350米，建成時(shí)是當(dāng)時(shí)世界上最大的天文射電望遠(yuǎn)鏡。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡配備了一部波長(zhǎng)為126厘米，發(fā)射功率為百萬(wàn)瓦的發(fā)射機(jī)和雙偏振接收機(jī)，工作頻率達(dá)到了0.05-10 GHZ，出色的收放能力使其滿足了觀測(cè)脈沖雙星的硬性指標(biāo)。赫爾斯和泰勒憑借阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡出色的性能，率先觀測(cè)到了脈沖雙星的存在，并對(duì)脈沖雙星進(jìn)行了長(zhǎng)期的觀測(cè)，得到了其20年的軌道周期值，為他們之后的計(jì)算工作提供了第一手的數(shù)據(jù)來(lái)源。

脈沖星的輻射一般是很弱的，當(dāng)時(shí)觀測(cè)到的最弱的脈沖星其流量密度只有0.1毫央斯基，也就是說(shuō)在地球每平方米每赫茲只接收到10瓦的功率。因此射電望遠(yuǎn)鏡就需要擁有盡量大的天線面積、頻寬足夠?qū)挼慕邮諜C(jī)才能保證捕捉到如此細(xì)微的信號(hào)。當(dāng)時(shí)，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡正是具備了上述特點(diǎn)才在天文觀測(cè)領(lǐng)域一枝獨(dú)秀，使美國(guó)科學(xué)家在脈沖雙星研究領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先于蘇聯(lián)和歐洲其他發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)團(tuán)隊(duì)。1977年，蘇聯(lián)在北高加索地區(qū)建成直徑為576米的RATAN-600射電望遠(yuǎn)鏡，在脈沖雙星觀測(cè)的競(jìng)賽中已經(jīng)處于后發(fā)地位。盡管RATAN-600射電望遠(yuǎn)鏡在口徑方面超過(guò)了阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，但其他的硬件配置和科研目標(biāo)的設(shè)定上的落后狀態(tài)，使其不能滿足發(fā)現(xiàn)并觀測(cè)脈沖雙星的條件。

20世紀(jì)70年代，除了阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡和RATAN-600射電望遠(yuǎn)鏡之外，世界上已經(jīng)建成的條件精良的望遠(yuǎn)鏡還包括位于德國(guó)埃費(fèi)爾斯貝格和美國(guó)格林班克的兩臺(tái)直徑為100米射電望遠(yuǎn)鏡。與它們相比，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡從口徑上完勝它們，更不用說(shuō)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度也遠(yuǎn)高于它們。

由此可見(jiàn)，在觀測(cè)脈沖雙星的案例中，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)于赫爾斯和泰勒的科研成果的取得具有基礎(chǔ)性的作用。此后，各國(guó)科學(xué)界都意識(shí)到，在天文觀測(cè)領(lǐng)域中，擁有性能出色的大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)探索宇宙奧秘的重要性，開(kāi)始在本國(guó)建造精度更高、測(cè)量范圍更廣的天文望遠(yuǎn)鏡。

隨著科學(xué)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，科學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到，要直接證實(shí)引力波的存在，依靠傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡幾乎是不可能的，于是建造激光干涉引力波觀測(cè)器（The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，簡(jiǎn)稱LIGO，國(guó)內(nèi)學(xué)界將其翻譯為激光干涉引力波天文臺(tái)，筆者認(rèn)為應(yīng)該聚焦于儀器，而不是籠統(tǒng)的天文臺(tái)）被提上議程。隨著第二代激光干涉引力波觀測(cè)器Advanced LIGO的建成，引力波隨即被證實(shí)。美國(guó)物理學(xué)家雷納·韋斯（Rainer Weiss，1932——）、巴里·巴里什（Barry Barish，1936——）和基普·索恩（Kip Thorn，1940——），他們因建造發(fā)現(xiàn)引力波的激光干涉引力波探測(cè)器（LIGO）而榮獲2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)末期，發(fā)達(dá)國(guó)家諸如美國(guó)、德國(guó)、日本和英國(guó)都開(kāi)始建造第一代激光干涉引力波探測(cè)器，希望能率先證實(shí)引力波的存在。進(jìn)入21世紀(jì)后，美國(guó)建成了LIGO；意大利和法國(guó)合建了位于比薩附近的室女座引力波探測(cè)器（VIRGO）；德國(guó)和英國(guó)聯(lián)合建造了位于漢諾威的GEO；日本建造了東京國(guó)家天文臺(tái)的TAMA300。隨著各國(guó)大型激光干涉引力波探測(cè)器的建成和投入使用，世界各國(guó)進(jìn)入了新一輪的天文觀測(cè)競(jìng)賽。

激光干涉引力波觀測(cè)器的工作原理與1887年的邁克爾遜——莫雷的實(shí)驗(yàn)原理相近，從本質(zhì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)精良的邁克爾遜干涉儀。阿爾伯特·邁克爾遜（Alert Michelson）和愛(ài)德華·莫雷（Edward Morley）通過(guò)著名的判決性實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到光速在不同慣性系和不同方向上都具有相同的速度，從而否定了以太這種物質(zhì)的存在。與之相似的是，激光干涉引力波探測(cè)器是通過(guò)監(jiān)測(cè)等距且互相垂直的兩個(gè)方向上干涉條紋的細(xì)微變化，若存在細(xì)微變化則證明引力波的存在。以位于美國(guó)利文斯頓的大型激光干涉引力波探測(cè)器LIGO（llo）為例，LIGO（llo）是由兩個(gè)直徑超過(guò)1米呈“L”型放置的空心圓柱體組成，在兩臂交會(huì)處，從光源發(fā)出的激光束被一分為二，分別進(jìn)入互相垂直并保持超真空狀態(tài)的兩空心圓柱體內(nèi)，激光束在空心圓柱體內(nèi)會(huì)運(yùn)行4千米，再被終端的用導(dǎo)線懸掛的帶有鏡面的重物反射回原出發(fā)點(diǎn)，并在那里相互干涉。這時(shí)若有引力波通過(guò)，便會(huì)引起時(shí)空變形，即一臂的長(zhǎng)度會(huì)略微變長(zhǎng)而另一臂的長(zhǎng)度則略微縮短，于是干涉條紋發(fā)生變化。因此只要探測(cè)到這種變化存在，便可證實(shí)引力波的確切存在。

由于引力波的振幅極小，因此在與物質(zhì)相互作用時(shí)所能引起的尺度變化是極小的，這種細(xì)微的變化甚至連第一代靈敏度為10的激光干涉引力波探測(cè)器也無(wú)法捕捉到。為了能成功探測(cè)到引力波的存在，各國(guó)科學(xué)家在第一代激光干涉引力波探測(cè)器的基礎(chǔ)上，將它們升級(jí)改造為第二代激光干涉引力波探測(cè)器。

在2015年9月14日，美國(guó)的第二代激光干涉引力探測(cè)器即高級(jí)激光干涉引力波探測(cè)器（Advanced LIGO）成功觀測(cè)到了兩個(gè)黑洞合并產(chǎn)生的引力波事件（GW150914），由此證實(shí)引力波的確存在。

Advanced LIGO是以LIGO為基礎(chǔ)升級(jí)而來(lái)的，是當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大、精度最高的引力波觀測(cè)器。Advanced LIGO是由加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院共同負(fù)責(zé)運(yùn)行，它由兩個(gè)干涉儀組成，其中一個(gè)干涉儀LIGO（llo）位于美國(guó)路易斯安那州利文斯頓，另一個(gè)干涉儀LIGO（lho）位于美國(guó)華盛頓州漢福德。其中位于漢福德的觀測(cè)器雙臂長(zhǎng)度分別為4千米和2千米，在利文斯頓的觀測(cè)器雙臂長(zhǎng)度為4千米，兩地相距3002千米。與第一代LIGO相比，升級(jí)后的Advanced LIGO激光功率從原來(lái)的10瓦特提高至了200瓦特，探測(cè)頻道下限從40Hz延伸到了10Hz，并將觀測(cè)器的靈敏度提高至10——10這一量級(jí)。在當(dāng)時(shí)，Advanced LIGO相較于法國(guó)的VIGRO、德國(guó)的GEO和日本的TAMA300，無(wú)論是在探測(cè)精度、干涉儀雙臂長(zhǎng)度以及探測(cè)頻率都優(yōu)于它們，這使得美國(guó)在引力波觀測(cè)領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先。也正是因?yàn)檫@次的全面升級(jí)，Advanced LIGO的探測(cè)范圍和探測(cè)能力得到極大提升，為美國(guó)科學(xué)家優(yōu)先證實(shí)引力波的存在提供了堅(jiān)實(shí)的科研儀器保障。

在證實(shí)引力波存在的百年征途上，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡和Advanced LIGO都證明了天文大科學(xué)裝置在探索宇宙未知現(xiàn)象中的重要地位，美國(guó)也正是因?yàn)閾碛辛水?dāng)時(shí)無(wú)出其右的大科學(xué)裝置才能夠拔得頭籌，最終獲得發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)，進(jìn)一步強(qiáng)化了在科學(xué)界的話語(yǔ)權(quán)和科技霸主的地位。

三、天文大科學(xué)裝置的價(jià)值和作用

通過(guò)上述對(duì)引力波的提出到最終證實(shí)的發(fā)展歷程的考察，可以看出天文大科學(xué)裝置在科學(xué)發(fā)展中具有如下顯著作用和價(jià)值：

1.天文大科學(xué)裝置對(duì)天文科學(xué)前沿領(lǐng)域突破起到?jīng)Q定性的作用

隨著人類能觀測(cè)到的宇宙范圍在不斷擴(kuò)大，原有的技術(shù)和觀測(cè)裝置已經(jīng)滿足不了天文學(xué)快速發(fā)展的客觀需求?？v觀近年來(lái)在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)上有所斬獲的天文學(xué)家，他們的成功大都離不開(kāi)天文大科學(xué)裝置的幫助。例如，2020年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了德國(guó)天體物理學(xué)家賴因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel，1952——）和美國(guó)天文學(xué)家安德里亞·格茲（Andrea Ghez，1965——），他們通過(guò)使用夏威夷凱克（Keck）望遠(yuǎn)鏡和智利的甚大望遠(yuǎn)鏡VLT（Very Large Telescope）對(duì)銀河系中心恒星進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量，并憑測(cè)量結(jié)果從動(dòng)力學(xué)角度準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)了超大質(zhì)量的致密天體從而獲獎(jiǎng)。此外，2019年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了瑞士物理學(xué)家米歇爾·馬約爾（Michel Mayor，1942——）和瑞士天文學(xué)家奎洛茲（Didier Queloz，1966——），他們因發(fā)現(xiàn)繞著類太陽(yáng)恒星飛馬座51運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星飛馬座51b而獲獎(jiǎng)。他們?cè)谟^測(cè)系外行星飛馬座51b時(shí)采用了徑向速度法的方式，并通過(guò)普羅旺斯天文臺(tái)的埃洛迪射譜儀發(fā)現(xiàn)了這顆行星，這一發(fā)現(xiàn)也被利克天文臺(tái)的哈密爾頓譜射儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)所佐證。在飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)前的很長(zhǎng)一段時(shí)間，對(duì)于系外行星的觀測(cè)一直不太順利；但隨著高分辨率光譜學(xué)和更加精準(zhǔn)的攝譜儀的出現(xiàn)，才使探測(cè)由可能轉(zhuǎn)變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。值得一提的是，自馬約爾和奎洛茲開(kāi)啟了系外行星探測(cè)的序幕后，該領(lǐng)域逐漸成了行星科學(xué)和系外行星探測(cè)中的熱門(mén)方向。在系外行星的探測(cè)工作中，根據(jù)掩星法原理設(shè)計(jì)的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡做出了極大貢獻(xiàn)，截至2019年底，共有4130顆系外行星被確認(rèn)，其中利用掩星法發(fā)現(xiàn)了2962顆，占總數(shù)的71.72%；其中開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了2734顆系外行星，占總發(fā)現(xiàn)數(shù)的66.20%，占用掩星法發(fā)現(xiàn)數(shù)的92.30%。除了大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)宇宙探索做出的杰出貢獻(xiàn)外，在某些特定領(lǐng)域探測(cè)衛(wèi)星也功不可沒(méi)。早在1989年，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射了一顆專門(mén)探測(cè)宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，簡(jiǎn)稱CMB）的觀測(cè)衛(wèi)星，即宇宙背景探測(cè)者衛(wèi)星（COBE），在當(dāng)時(shí)以極為完美的精度驗(yàn)證了CMB的黑體分布律以及背景溫度，并首次觀測(cè)到了均勻溫度背景下的溫度漲落，而這一漲落后來(lái)進(jìn)一步被美國(guó)宇航局的威爾金森微波各向異性探測(cè)器（WMAP）和歐洲空間局的普朗克衛(wèi)星驗(yàn)證。COBE衛(wèi)星的發(fā)射標(biāo)志著所謂的“精確宇宙學(xué)”的來(lái)臨，也使得COBE衛(wèi)星項(xiàng)目的兩位首席科學(xué)家約翰·馬瑟（John Mather，1946——）和喬治·斯穆特（George Smoot，1945——）被授予了2006年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

由此看來(lái)，當(dāng)下對(duì)于宇宙中未知領(lǐng)域的探索，將會(huì)越來(lái)越依靠這些先進(jìn)的大科學(xué)裝置，缺少這些裝置的國(guó)家甚至可能被永遠(yuǎn)排除在科學(xué)的前沿之外。

2.大科學(xué)裝置是科學(xué)家獲得優(yōu)先權(quán)的強(qiáng)大幫手

就在Advanced LIGO探測(cè)到了引力波后，法國(guó)的VIGRO就以Advanced LIGO為參照對(duì)象，采取了相應(yīng)的設(shè)備升級(jí)，并在2016年與美國(guó)的兩臺(tái)Advanced LIGO合作，一起證明了在距離地球18億光年外的恒星質(zhì)量黑洞合并產(chǎn)生的引力波信號(hào)。VIRGO對(duì)于引力波的探測(cè)，也在一定程度上佐證了在大科學(xué)時(shí)代一旦有了前車(chē)之鑒，“依葫蘆畫(huà)瓢”是件相對(duì)容易的事情。當(dāng)代科研的難點(diǎn)通常在于如何取得原創(chuàng)性的科研成果。

科學(xué)社會(huì)學(xué)家默頓曾指出：科學(xué)界的多重發(fā)現(xiàn)是科學(xué)活動(dòng)中的一種常態(tài)，即遠(yuǎn)在不同國(guó)家的科學(xué)家們會(huì)在近乎相同的時(shí)間段內(nèi)提出同一種理論或發(fā)明。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)發(fā)明或發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)之爭(zhēng)是科學(xué)界最為持久的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樗敲總€(gè)科學(xué)家獲得科學(xué)共同體承認(rèn)的基礎(chǔ)，一旦擁有優(yōu)先權(quán)，科學(xué)家就能獲得比后來(lái)者更高的收益。因此，在存在多重發(fā)現(xiàn)的背景下，智力水平相近的科學(xué)家沿著幾乎相同的研究路徑與方法，此時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的精度如何將會(huì)直接關(guān)系到誰(shuí)能率先爭(zhēng)奪到發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)。從引力波的案例就可以看出，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡和Advanced LIGO的出色性能為美國(guó)科學(xué)家在優(yōu)先權(quán)的爭(zhēng)奪中提供了巨大的便利。此外，加拿大天文學(xué)家布魯斯·坎貝爾（Bruce Campbell）早在1988年就預(yù)言過(guò)系外行星的存在，但由于當(dāng)時(shí)觀測(cè)技術(shù)水平有限，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳，坎貝爾本人和同領(lǐng)域的專家學(xué)者對(duì)觀測(cè)結(jié)果有所保留。盡管2002年，麥克唐納天文臺(tái)憑借最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了坎貝爾的發(fā)現(xiàn)，他也得到天文學(xué)界的承認(rèn)，但卻錯(cuò)過(guò)了成為首位發(fā)現(xiàn)系外行星的科學(xué)家的機(jī)會(huì)，也與諾貝爾獎(jiǎng)失之交臂。

3.天文大科學(xué)裝置也是國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)

天文大科學(xué)裝置往往建設(shè)周期長(zhǎng)，耗資十分巨大，需要政府通過(guò)公共財(cái)政投入予以支持。早在1990年哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時(shí)，發(fā)射成本已經(jīng)高達(dá)12億美元，算上運(yùn)行以來(lái)的所有維修費(fèi)用，目前哈勃空間望遠(yuǎn)鏡總共花費(fèi)了近100億美元；發(fā)現(xiàn)引力波的LIGO天文臺(tái)造價(jià)為20億美元；最近美國(guó)航空航天局、歐洲航天局和加拿大航天局聯(lián)合研發(fā)的詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，簡(jiǎn)稱JWST）也已發(fā)射升空，據(jù)學(xué)者估計(jì)其成本高達(dá)100億美元。以我國(guó)為例，貴州建成了目前世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡天眼（FAST），該大科學(xué)工程的建造耗時(shí)8年，投資超12億人民幣。因此，耗資巨大的大科學(xué)裝置建設(shè)不是科學(xué)界內(nèi)部可以獨(dú)立完成的事情，而是需要國(guó)家力量的介入。在一定程度上說(shuō)，通過(guò)觀察一個(gè)國(guó)家擁有的大科學(xué)裝置數(shù)量以及對(duì)于建造大科學(xué)裝置的意愿，可以反映出該國(guó)對(duì)基礎(chǔ)科研設(shè)施和前沿科學(xué)探索的重視程度和投入力度，這也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的一個(gè)外在表征。

四、我國(guó)天文大科學(xué)裝置的現(xiàn)狀及問(wèn)題

1.我國(guó)天文大科學(xué)裝置總量偏少

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力穩(wěn)步提升，國(guó)家針對(duì)科技領(lǐng)域尤其是基礎(chǔ)研究方面的投入不斷增多，比重也在逐年加大。總體而言，目前我國(guó)大科學(xué)裝置建造工作已經(jīng)平穩(wěn)渡過(guò)萌芽期和成長(zhǎng)期，與發(fā)達(dá)國(guó)家間的差距正在不斷縮小。雖然在大科學(xué)儀器數(shù)量上已慢慢向發(fā)達(dá)國(guó)家靠攏，但在天文大科學(xué)裝置數(shù)量方面依舊偏少，我國(guó)目前僅擁有郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）、新疆太陽(yáng)磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡等少數(shù)幾臺(tái)天文大科學(xué)裝置。

2.大科學(xué)裝置研發(fā)過(guò)程效率低下

目前，我國(guó)大科學(xué)裝置的研發(fā)通常采用“牽頭人+合作單位”的模式。在這種模式下，牽頭人與合作單位的負(fù)責(zé)人是處于一種平級(jí)關(guān)系，并非隸屬關(guān)系，由于雙方存在利益訴求的差異，經(jīng)常出現(xiàn)合而不作的現(xiàn)象。相較于常規(guī)的科學(xué)裝置的開(kāi)發(fā)，大科學(xué)裝置的研發(fā)往往會(huì)聚集行業(yè)內(nèi)的頂尖學(xué)者，各個(gè)合作單位一般是由院士或是長(zhǎng)江學(xué)者帶頭，這樣頂級(jí)的人員配置，會(huì)帶來(lái)研發(fā)過(guò)程中牽頭人的話語(yǔ)權(quán)不夠，共識(shí)難以達(dá)成、扯皮敷衍盛行，使得研發(fā)效率大打折扣。最后在驗(yàn)收環(huán)節(jié)，面對(duì)行業(yè)內(nèi)的頂尖專家，驗(yàn)收評(píng)審人往往會(huì)出于一些人情方面考慮而非科學(xué)的評(píng)估而放水，在一定程度上犧牲了驗(yàn)收評(píng)價(jià)的客觀性，從而導(dǎo)致某些大科學(xué)裝置建造成為爛尾項(xiàng)目，即便一些裝置勉強(qiáng)投入使用，其實(shí)際效果也不明確。

3.天文領(lǐng)域重大科研成果產(chǎn)出較少

大科學(xué)裝置的建造都是具有明確的科研目標(biāo)和國(guó)家使命的，主要目的就是為原始創(chuàng)新和原始探索提供全新的素材與載體，并最終將其轉(zhuǎn)化為科研成果。盡管我國(guó)科學(xué)家也依托FAST射電望遠(yuǎn)鏡、LAMOST望遠(yuǎn)鏡等天文大科學(xué)裝置在、等學(xué)術(shù)頂刊上發(fā)表許多研究成果并獲得多項(xiàng)專利，但在獲取頂尖科學(xué)成就的天平上卻依舊寥有所獲。在評(píng)價(jià)科研成果的含金量時(shí)，最重要的一個(gè)指標(biāo)就是看是否獲得了該領(lǐng)域中最高級(jí)別的獎(jiǎng)項(xiàng)，具體在天文領(lǐng)域中，最負(fù)盛名的獎(jiǎng)項(xiàng)有邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)、格魯伯宇宙學(xué)獎(jiǎng)和諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前，我國(guó)雖然在天文領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)出了一定數(shù)量的科研成果，但在我國(guó)天文科學(xué)家群體中，并沒(méi)有出現(xiàn)邵逸夫天文學(xué)獎(jiǎng)得主或格魯伯宇宙學(xué)獎(jiǎng)得主，也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)在天文學(xué)領(lǐng)域獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家。這表明，在天文大科學(xué)裝置與研究領(lǐng)域，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有不小差距，正所謂工欲善其事，必先利其器。

五、結(jié)語(yǔ)與余論

通過(guò)對(duì)天文大科學(xué)裝置在引力波發(fā)現(xiàn)中作用的分析，可以明確得出兩個(gè)結(jié)論，首先，未來(lái)的許多科學(xué)前沿工作一刻也離不開(kāi)大科學(xué)裝置的協(xié)同，科技前沿競(jìng)爭(zhēng)日益演變?yōu)榭萍季C合實(shí)力的比拼。在這份科技綜合實(shí)力的清單里包括三大要素：人才、制度（經(jīng)費(fèi)支持）與設(shè)備，與科技發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在大科學(xué)裝置方面存在明顯的短板，亟須改善。其次，我國(guó)在大科學(xué)裝置建設(shè)的模式選擇中存在明顯的低效甚至無(wú)效的安排模式。這種低效模式主要體現(xiàn)在“牽頭人+合作單位”的建設(shè)模式，尤其是那些建設(shè)周期長(zhǎng)、投資大的大科學(xué)裝置項(xiàng)目，僅憑牽頭人的組織協(xié)調(diào)能力根本無(wú)法保證完成項(xiàng)目任務(wù)。我們不妨看看科技部的重大儀器專項(xiàng)的實(shí)施過(guò)程，以2017的重大儀器專項(xiàng)為例，當(dāng)年計(jì)劃支持50個(gè)研究方向，經(jīng)費(fèi)投入7億元，建設(shè)理念是：儀器原理驗(yàn)證——關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（軟硬件）——系統(tǒng)集成——應(yīng)用示范——產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家科學(xué)儀器開(kāi)發(fā)鏈條，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研用的融合。理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感，我們不知道本著這套理念運(yùn)行的儀器專項(xiàng)到底有多少合格的儀器被制造出來(lái)了？基于這個(gè)現(xiàn)實(shí)，筆者認(rèn)為，對(duì)于那些超級(jí)大科學(xué)裝置必須由國(guó)家牽頭，解決管理中組織協(xié)調(diào)能力不足的困境，而且，這也是我國(guó)比較習(xí)慣的舉國(guó)體制的具體運(yùn)用。對(duì)于那些特殊的、中型的科學(xué)裝置建設(shè)，必須采用新的管理模式，否則無(wú)法避免停留在講故事階段的現(xiàn)實(shí)，畢竟科學(xué)裝置的建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它要求每個(gè)環(huán)節(jié)都要盡量達(dá)到最優(yōu)，然后才有可能使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)，而這些并非一蹴而就。

大科學(xué)裝置的建設(shè)會(huì)帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，一旦能夠有序運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，其溢出效應(yīng)和輻射效應(yīng)也是非常廣泛的，并能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，如2020年全球醫(yī)療器械公司100強(qiáng)名單中排名第一的美敦力年銷售額達(dá)到289億美元，最后一名的銷售額也達(dá)到了1.5億美元，遺憾的是百?gòu)?qiáng)公司中沒(méi)有一家中國(guó)公司。由是觀之，中國(guó)的大科學(xué)裝置與儀器建設(shè)還有很長(zhǎng)的路要走。

[1] 沈律：《小科學(xué)，大科學(xué)，超大科學(xué)——對(duì)科技發(fā)展三大模式及其增長(zhǎng)規(guī)律的比較分析》，《中國(guó)科技論壇》，2021年第6期，第149-160頁(yè)。

[2] 李建明 曾華鋒：《“大科學(xué)工程”的語(yǔ)義結(jié)構(gòu)分析》，《科學(xué)學(xué)研究》，2011年第11期，第1607-1612頁(yè)。

[3、14] 西桂權(quán) 付宏 劉光宇：《中國(guó)大科學(xué)裝置發(fā)展現(xiàn)狀及國(guó)外經(jīng)驗(yàn)借鑒》，科技導(dǎo)報(bào)，2020年第11期，第6-15頁(yè)。

[4] 引力波參考資料引力波（物理概念）_百度百科。(baidu.com)

[5] 厲光烈 李龍：《諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)百年回顧》，《現(xiàn)代物理知識(shí)》，2001年第5期，第3-8頁(yè)。

[6] 吳鑫基 溫學(xué)詩(shī)：《摘取桂冠之旅:射電脈沖雙星的發(fā)現(xiàn)》，《科學(xué)》，1998年第3期，第46-50頁(yè)。

[7] 邵立晶：《引力波視角下的世界圖景》，《科學(xué)通報(bào)》，2020年第35期，第4013-4017頁(yè)。

[8] 邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)_百度百科。(baidu.com)

[9] 張妙靜 厲光烈：《諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)百年回顧（續(xù)）》現(xiàn)代物理知識(shí)，2021年第1期，第24-40頁(yè)。

[10] 黃宇傲天 張軒中：《介紹2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)相關(guān)的引力波的知識(shí)》，《大學(xué)物理》，2018年第1期，第68-70+80頁(yè)。

[11] 馬波：《太陽(yáng)系外行星的探測(cè)——2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果簡(jiǎn)析》，《科技導(dǎo)報(bào)》，2019年第24期，第30-35頁(yè)。

[12] 鄢盛豐 蔡一夫：《宇宙環(huán)境新認(rèn)知——有關(guān)2019年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的理解》，《科學(xué)通報(bào)》，2019年第36期，第3793-3797頁(yè)。

[13] R.K.默頓著：《科學(xué)社會(huì)學(xué)》（下），魯旭東林聚任譯，北京：商務(wù)印書(shū)館，2017年版，第490-495頁(yè)。

[15] 李俠 繆秋民 呂慧云：《重大科研儀器研發(fā)的現(xiàn)狀與困境》，《創(chuàng)新》，2018年第1期，第61-72頁(yè)。